深部岩体在掏槽爆破过程中的损伤演化机制

为研究深部岩体掏槽爆破过程中岩体的损伤演化机制,将Cowper-Symonds硬化模型与拉压损伤模型耦合以后的模型嵌入到LS-DYNA软件中对其进行数值模拟研究。数值模拟结果表明:地应力及临空面的存在对岩体的损伤演化机制有影响,地应力存在对应力波所诱发的压力载荷产生抵制作用,使得岩体受压力荷载作用产生的损伤范围受到影响,随着地应力增大,掏槽爆破岩体的损伤范围变小;掏槽爆破中的中心孔有充当临空面的作用,使得应力波在遇到临空面时形成拉伸波,并造成中心孔附近岩体的拉损伤往岩体内部扩展,最终有加大掏槽孔周围岩体的损伤范围作用。     

岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟

基于PFC2D离散元软件,首先对岩石的动力落锤实验进行模拟,获取岩体的动力学细观参数.随后建立了集中药包作用下岩体的爆破模型,对不同关键点处的应力波峰值进行了监测,得到了应力波在岩体传播过程中的衰减规律并与理论值进行对比,从爆破漏斗的形成和理论应力波衰减的拟合效果来看,PFC模拟爆破有潜在的优越性,能较好的再现爆破的整个过程,因此,可以预先利用数值手段为试验方案设计提供指导;为爆破的研究工作提供经济、简便而实用的方法.     

冲击荷载作用下岩石压动态和拉动态损伤模型

根据经典岩石冲击动态损伤模型和统计损伤力学理论,提出冲击荷载加载条件下的岩石压、拉统计损伤本构模型和冲击损伤判据模型。在该损伤模型中,将损伤演化关系分为体积压缩损伤和体积拉伸损伤2种。应用提出的损伤模型和经典动态拉伸损伤模型分别进行爆破损伤数值模拟,并将数值计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明:与炮孔轴向相比,炮孔径向是爆破破裂延伸的主方向;沿炮孔径向主要发生拉伸破裂,孔底下方主要发生压缩破裂;与基于经典冲击动态拉伸损伤模型的数值计算结果相比,根据损伤模型得到的爆破破裂范围特别是孔底正下方破裂深度与实测值相差不大且最接近实测值,表明所提出的损伤模型是合理的,具有实用性。     

爆破漏斗鼓包运动模型的构建及验证

为研究爆破漏斗鼓包运动规律,采用动量守恒定律对鼓包运动速度进行理论分析,并通过爆破漏斗模型试验、高速摄影系统、数值分析开展试验研究.研究结果表明,将鼓包运动岩体划分为若干单元,运用动量守恒定理推导出爆破漏斗鼓包速度服从指数模型,整个过程做变速运动;通过高速摄影对爆破漏斗鼓包运动进行记录分析,图像表明鼓包运动过程中,自由面裂隙向四周扩散,使自由面岩体破碎并呈规则的扇形状;在爆生气体推动下,岩体进一步的抬升与破裂,炮孔中心质点做变加速运动;不同时刻下,随自由面炮孔中心为原点的坐标距离增加,鼓包运动呈指数递减,当自由面鼓包完全破裂后,破碎岩体以最大速度做抛掷运动,当抛射角度与水平成45°时,达到最远抛距.      

岩体爆破震动损伤评估的多元判别分析模型

提出基于多元判别分析理论的岩体爆破震动损伤安全判据方法。考虑爆破震动信号的幅值强度特性、频谱特性、持时特性和时-能密度曲线特性,并选用震动峰值速度、震动主频、震动持时和时-能密度曲线下的面积作为判别因子,建立多元判别分析模型对岩体的爆破震动损伤情况进行预测。以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练,建立相应判别模型对待判样本进行判别,利用回代估计法对模型的合理性进行检验。研究结果表明:建立的判别模型回判估计的误判率为0,预测结果与实际结果相符;判别分析模型综合考虑了影响爆破损伤的多种因素,与其他单指标判据相比,评估结果与实际结果更加相符。     

双孔同时起爆柱状药包爆破岩体损伤效应研究

为了研究双孔同时起爆柱状药包岩体的损伤效应,通过使用PFC软件构建离散元数值模型,基于球状药包和柱状药包爆破破坏过程的理论分析与计算,研究了双孔柱状药包岩石爆破损伤特性。研究结果表明：炸药爆炸应力波在自由面的俯视平面上的传播过程接近圆形扩散,药柱上端岩体在径向压缩波的作用下发生断裂破碎,自由面处形成鼓包并逐渐从原岩开始剥离;柱状药包的爆破漏斗形成过程与球状药包类似,包括爆炸应力波的破岩过程、爆生气体驱裂过程和碎岩在爆生气体作用下抛掷运动过程;双孔同时起爆应力波存在“干涉效应”,且爆破损伤区域呈“蝴蝶”状分布。     

考虑结构面损伤的岩石本构模型与工程应用

含结构面的岩体在应力加载-卸载作用下破坏机理非常复杂,建立含结构面岩体的损伤本构模型是研究的难点。通过对含结构面的岩体建立三维数值模型,研究分析岩体在三轴压缩下的破坏特征,发现含结构面岩体的峰值随着围岩的增加而升高,在单轴压缩下,岩体的峰后强度几乎为零;且含结构的面岩体存在损伤阀值点,得出了岩体损伤劣化行为发生的原因。根据微元统计理论建立了损伤变量与岩体劣化破坏之间的概率密度关系,通过引入修正系数调整了岩体因含有结构面的初始损伤,并拟合出围压与峰前弹性模量的非线性关系,推导出含结构面岩体的损伤本构方程。与已有损伤本构方程进行数据对比,发现本方程可更加准确描述结构面的损伤演化特征,通过FISH语言实现对FLAC3D的二次开发,将本构方程程序化,并以此研究分析了青岛某交叉隧道施工中的沉降问题,发现采用损伤本构模型计算结果与现场实测数据吻合程度较高,反映出损伤本构模型能较好的描述风化花岗岩的损伤劣化效应。建立的含结构面岩体的损伤本构方程对实际施工及理论研究具有重要的参考价值。     

基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明：用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值?H与损伤占比D_p作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式D_p=6.54-0.12?H;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。     

爆炸荷载下深地下硬岩的动力模型及其数值分析

为了提高深地下硬岩爆炸近区岩体动力行为预测的可靠性和准确性,引入改进的C.C.Grigorian模型,详细推导了本构方程的积分。基于LS-DYNA9703D二次开发平台拟制用户子程序,计算了岩体耦合装药时高围压条件下球状药包中心起爆时爆炸近区的岩体动力响应。研究了不同围压时空腔壁上质点永久位移规律,揭示了围压、岩体抗压强度与空腔半径变化之间的关系,并与类似试验结果及弹性模型、弹塑性模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,改进的C.C.Grigorian模型的计算结果与实验符合较好,适用于高围压水平下的爆炸近区计算;爆炸空腔膨胀受围压约束显著,相对空腔半径和围压与岩体强度之比近似成线性关系。     

钢筋混凝土中爆破漏斗特征尺寸研究

根据内爆炸荷载的基本特点,利用损伤理论建立了内爆荷载作用下钢筋混凝土中爆破漏斗的特征尺寸模型;从理论上得出了钢筋混凝土中可形成爆破漏斗的最小爆破作用指数,进行了钢筋混凝土内爆实验,证明了建立的模型是可行的,求解的最小爆破作用指数是正确的.     

多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征

为研究多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征,建立考虑扰动效应的时效损伤本构模型.二次开发扰动效应的时效损伤本构模型,并建立数值模型验证了开发程序的正确性.将本构模型应用于深部巷道多次爆破开挖的数值模拟中,研究围岩累积损伤演化特征与破裂特征.结果表明：地应力对巷道围岩爆破累积损伤有抑制作用,地应力越大,抑制作用越明显;围岩的损伤程度随爆破扰动次数的增加呈现非线性累积特征,围岩损伤范围也随着爆破荷载作用次数的增加而扩大;巷道围岩近区在多次爆破荷载作用下损伤严重,巷道围岩表层出现破裂现象.     

水平边界条件下深孔微差爆破的数值模拟

目的 研究水平边界条件下深孔微差爆破的作用机理。方法 采用动态非线性有限元法对单个水平自由面深孔微差爆破进行数值模拟。根据模拟结果分析岩块运动和槽腔内岩块的破坏方式。结果 孔底部分的岩石主要以冲击压缩破坏为主,而自由面附近的岩石主要以层裂破坏为主。结论 掏槽孔的爆破作用和微差时间的确定是影响微差爆破的重要因素,使用含定向裂纹的弹塑性模型可较好地描述脆性岩石本构行为。     

单向压应力对砂岩漏斗爆破过程的影响

针对深部高应力条件下岩石爆破问题,开展不同单向压应力条件下的砂岩漏斗爆破实验,研究了静应力对漏斗爆破过程中裂纹网形成与扩展的影响.提出了爆破漏斗破坏分区的概念,即块状破坏区、过渡区、片状剥落区.分别分析了静应力对爆破漏斗三个破坏区的影响,进而阐明了不同静应力条件下岩石爆破破坏的特征.结果表明:静应力促进平行其自身方向裂纹的形成,抑制垂直其自身方向裂纹的形成,进而改变了裂纹网的形态;静应力促进平行其自身方向爆破漏斗破坏区的形成,对片状剥落区的影响最大,块状破坏区与过渡区次之,对垂直其自身方向的破坏区影响较小;当应力强度比达到0.15时,需要考虑静应力对爆破效果的影响.     

爆破载荷作用下围岩裂隙发展特征试验研究

为研究爆破载荷条件下围岩损伤范围与裂隙扩展行为问题,以云南红河州咪的隧道爆破开挖为背景,通过理论分析与室内模型试验分析方法,以Froude比例法建立爆破载荷作用下裂隙发展试验模型,分析爆破载荷作用下围岩试样的动态力学与裂隙发展趋势.结果表明:通过对空气间隔装药孔壁压力计算得到应力波作用下裂隙范围计算公式,同时基于爆生气...     

钢筋混凝土中爆炸破坏效应数值模拟分析

根据钢筋混凝土介质在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏特性,利用LS-DYNA程序流固耦合算法,使用能够反映拉伸破坏的Tayler-Chen-Kuszmanul(TCK)和反映压缩破坏的Holmqust-Johnson-Cook(HJC)材料模型,通过建立分离式钢筋混凝土有限元模型,进行了钢筋混凝土在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏效应的数值计算分析. 数值模拟能够很好地模拟钢筋混凝土内部爆炸时中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏及漏斗坑形成过程,且与试验结果和理论计算吻合较好. 同时,由于钢筋的增强和止裂作用,钢筋混凝土中爆炸漏斗坑成阶梯型,且其破坏范围远小于混凝土介质.     

基于高速摄影技术爆破鼓包运动规律的研究

为研究球形药包爆破漏斗实验中自由面鼓包运动规律,采用能够较好模拟现场岩土的相似材料制作了一组水泥砂浆模型进行了爆破漏斗实验,利用高速摄影系统记录了模型在球形药包作用下自由面的鼓包运动,得到了鼓包运动轮廓、鼓包表面中心位移和速度分布.结果表明:鼓包表面中心在速度分布上呈现出加速-匀速-二次加速-减速的特征,鼓包上升到约1.5倍抵抗线后,抛体按照弹道运动规律进行抛掷.      

层状岩体中近邻双线隧道爆破的振动响应研究

近邻双线隧道爆破开挖时，为了避免新建隧道爆破施工产生的地震波危夏既有隧道的安全和稳定。基于数值模拟和现场试验，分析了层状岩体中采用钻爆法修建近距离双绒隧道的爆破振动响应．结果分析表明，对于既有隧道，迎爆面侧墙处的振动速度和反射拉应力最大，而且振动速度具有很强的方向效应，隧道径向振动速度大于切向振动速度，其规律与现场爆破试验结果有较好的一致性．将爆破对新建隧道本身围岩的振动损伤度和对相邻隧道的振动影响结合起来综合考虑，提出了层状岩体隧道爆破施工中减轻振动的几种措施。并对隧道爆破参数进行了优化．图7，表4，参8．     

围岩损伤控制爆破数值模拟研究

为研究不同结构装药周边孔爆破对围岩损伤的影响规律,采用数值模拟方法开展了研究工作. 模拟结果表明,从获得良好爆破效果和降低围岩损伤的角度来看,在4种装药结构中,水+切缝管的效果最好,空气介质耦合时最差,中间依次为水介质耦合、空气+切缝管的装药结构. 因此在实际工程中,周边孔采用水+切缝管的装药结构,可适当增加炮孔间距或减小装药量,取得与其它装药结构相同的周边爆破效果,尤其对于松软破碎岩体爆破效果更加明显. 同时水的存在对于工作面的降尘和防止瓦斯爆炸等灾害事故的发生也具有一定的作用. 数值模拟结果与试验结果所得结论一致.      

切缝药包爆破模型及生产试验研究

应用脉冲全息干涉及动光弹测试技术,通过切缝药包烘破模型试验,分析了切颖药包爆破断裂成缝机理,并在此基础上进行了生产试验,试验结果表明,采用切缝药包爆破可以精确地控制岩石断裂方向。     

基于微平面模型和正则化的脆性岩石损伤破裂模拟方法

为解决有限元计算在模拟脆性岩石损伤过程方面的网格依赖性问题,本文基于微平面模型和正则化方法建立了改进的微平面损伤模型,将单轴压缩条件下的岩石实验结果与数值模型进行了对比.引入不同非均质系数对三点弯曲岩石试样的损伤发展进行模拟,结果表明非均质系数越高损伤区域越集中.此外,通过引入高阶梯度正则化方法对不同特征长度的三点弯曲实验进行数值模拟.特征长度为1mm时,在不同网格尺寸下的正则化微平面模型的损伤演化结果基本相同,而没有采用正则化方法的微平面损伤模型在不同网格尺寸下出现明显的网格依赖性.最后,通过对比普通模型和正则化模型的载荷-位移曲线,发现网格密度对采用高阶梯度正则化后的微平面损伤模型损伤演化影响较低.